Ľudstvo prešlo dlhú cestu k vytvoreniu počítačov, bez ktorých si nemožno predstaviť modernú spoločnosť so všetkými aspektmi jej života v oblastiach priemyslu, národného hospodárstva a domácich spotrebičov. Ale ani dnes pokrok nestojí a otvára nové formy informatizácie. V centre technologického rozvoja je už niekoľko desaťročí štruktúra mikroprocesora (MP), ktorý sa zdokonaľuje vo funkčných a konštrukčných parametroch.
Koncept mikroprocesora
Vo všeobecnom zmysle je pojem mikroprocesor prezentovaný ako programovo riadené zariadenie alebo systém založený na veľkom integrovanom obvode (LSI). Pomocou MP sa vykonávajú operácie spracovania údajov alebo správa systémov, ktoré spracúvajú informácie. V prvých fázachVývoj MP bol založený na samostatných nízkofunkčných mikroobvodoch, v ktorých boli tranzistory prítomné v množstvách od niekoľkých do stoviek. Najjednoduchšia typická štruktúra mikroprocesora môže obsahovať skupinu mikroobvodov so spoločnými elektrickými, štrukturálnymi a elektrickými parametrami. Takéto systémy sa nazývajú mikroprocesorová súprava. Spolu s MP by jeden systém mohol pozostávať aj z pamäťových zariadení s permanentným a náhodným prístupom, ako aj z radičov a rozhraní na pripojenie externých zariadení – opäť prostredníctvom kompatibilnej komunikácie. V dôsledku vývoja koncepcie mikrokontrolérov bola mikroprocesorová súprava doplnená o komplexnejšie servisné zariadenia, registre, ovládače zberníc, časovače atď.
V súčasnosti je mikroprocesor v kontexte praktických aplikácií čoraz menej považovaný za samostatné zariadenie. Funkčná štruktúra a princíp činnosti mikroprocesora už v štádiu návrhu sa riadia použitím ako súčasti výpočtového zariadenia určeného na vykonávanie množstva úloh súvisiacich so spracovaním a správou informácií. Kľúčovým článkom v procesoch organizácie prevádzky mikroprocesorového zariadenia je kontrolér, ktorý udržiava konfiguráciu riadenia a režimy interakcie medzi výpočtovým jadrom systému a externým zariadením. Integrovaný procesor možno považovať za medzičlánok medzi radičom a mikroprocesorom. Jeho funkcionalita je zameraná na riešenie pomocných úloh, ktoré priamo nesúvisia s účelom hlavného MT. Môže ísť najmä o sieťové a komunikačné funkcie, ktoré zabezpečujú chod mikroprocesorového zariadenia.
Klasifikácia mikroprocesorov
Dokonca aj v najjednoduchších konfiguráciách majú MP mnohé technické a prevádzkové parametre, ktoré možno použiť na nastavenie klasifikačných funkcií. Na odôvodnenie hlavných úrovní klasifikácie sa zvyčajne rozlišujú tri funkčné systémy - prevádzkový, rozhranie a riadiaci. Každá z týchto pracovných častí tiež poskytuje množstvo parametrov a rozlišovacích prvkov, ktoré určujú charakter činnosti zariadenia.
Z pohľadu typickej štruktúry mikroprocesorov bude klasifikácia primárne rozdeľovať zariadenia na viacčipové a jednočipové modely. Prvé sa vyznačujú tým, že ich pracovné jednotky môžu fungovať offline a vykonávať vopred určené príkazy. A v tomto príklade budú vyslovení poslanci, v ktorých sa kladie dôraz na operatívnu funkciu. Takíto spracovatelia sa zameriavajú na spracovanie údajov. V rovnakej skupine môžu byť riadením a rozhraním napríklad trojčipové mikroprocesory. To neznamená, že nemajú operačnú funkciu, ale pre účely optimalizácie je väčšina komunikačných a energetických zdrojov pridelená úlohám generovania mikroinštrukcií alebo schopnosti interakcie s periférnymi systémami.
Pokiaľ ide o jednočipové MP, sú vyvinuté s pevnou sadou inštrukcií a kompaktným umiestnením celého hardvéruna jednom jadre. Z hľadiska funkčnosti je štruktúra jednočipového mikroprocesora dosť obmedzená, hoci je spoľahlivejšia ako segmentové konfigurácie viacčipových analógov.
Ďalšia dôležitá klasifikácia sa týka dizajnu rozhrania mikroprocesorov. Hovoríme o spôsoboch spracovania vstupných signálov, ktoré sa dnes naďalej delia na digitálne a analógové. Hoci samotné procesory sú digitálne zariadenia, v niektorých prípadoch sa použitie analógových tokov ospravedlňuje z hľadiska ceny a spoľahlivosti. Na prestavbu je však potrebné použiť špeciálne meniče, ktoré prispievajú k energetickej záťaži a konštrukčnej plnosti pracovnej plošiny. Analógové MP (zvyčajne jednočipové) plnia úlohy štandardných analógových systémov – napríklad produkujú moduláciu, generujú oscilácie, kódujú a dekódujú signál.
Podľa princípu dočasnej organizácie fungovania MP sa delia na synchrónne a asynchrónne. Rozdiel spočíva v povahe signálu na spustenie novej operácie. Napríklad v prípade synchrónneho zariadenia sú takéto príkazy vydávané riadiacimi modulmi bez ohľadu na vykonávanie aktuálnych operácií. V prípade asynchrónnych MP môže byť podobný signál vydaný automaticky po dokončení predchádzajúcej operácie. K tomu je v logickej štruktúre mikroprocesora asynchrónneho typu zabezpečený elektronický obvod, ktorý v prípade potreby zabezpečuje chod jednotlivých komponentov v offline režime. Zložitosť implementácie tohto spôsobu organizácie práce MP je spôsobená tým, ževždy v momente ukončenia jednej operácie je dostatok istých zdrojov na začatie ďalšej. Pamäť procesora sa zvyčajne používa ako prioritné prepojenie pri voľbe následných operácií.
Mikroprocesory na všeobecné a špeciálne účely
Hlavným rozsahom univerzálneho MP sú pracovné stanice, osobné počítače, servery a elektronické zariadenia určené na hromadné používanie. Ich funkčná infraštruktúra je zameraná na vykonávanie širokého spektra úloh súvisiacich so spracovaním informácií. Takéto zariadenia vyvíjajú spoločnosti SPARC, Intel, Motorola, IBM a ďalšie.
Špecializované mikroprocesory, ktorých charakteristiky a štruktúra sú založené na výkonných ovládačoch, implementujú zložité postupy na spracovanie a konverziu digitálnych a analógových signálov. Ide o veľmi rôznorodý segment s tisíckami typov konfigurácií. K zvláštnostiam MP štruktúry tohto typu patrí použitie jedného kryštálu ako základne pre centrálny procesor, ktorý zase môže byť prepojený s veľkým počtom periférnych zariadení. Medzi nimi sú prostriedky vstupu / výstupu, bloky s časovačmi, rozhrania, analógovo-digitálne prevodníky. Praktizuje sa tiež pripojenie špecializovaných zariadení, ako sú bloky na generovanie signálov so šírkou impulzu. Vďaka použitiu internej pamäte majú takéto systémy malý počet pomocných komponentov, ktoré podporujú prevádzkumikrokontrolér.
Špecifikácie mikroprocesora
Prevádzkové parametre definujú rozsah úloh zariadenia a sadu komponentov, ktoré možno v zásade použiť v konkrétnej mikroprocesorovej štruktúre. Hlavné charakteristiky MP možno znázorniť takto:
- Frekvencia hodín. Označuje počet základných operácií, ktoré môže systém vykonať za 1 sekundu. a je vyjadrená v MHz. Napriek rozdielom v štruktúre vykonávajú rôzni poslanci väčšinou podobné úlohy, no v každom prípade si to vyžaduje individuálny čas, čo sa odráža v počte cyklov. Čím výkonnejší je MP, tým viac procedúr dokáže vykonať v rámci jednej časovej jednotky.
- Šírka. Počet bitov, ktoré môže zariadenie vykonať súčasne. Prideľte šírku zbernice, rýchlosť prenosu dát, interné registre atď.
- Veľkosť vyrovnávacej pamäte. Ide o pamäť zahrnutú vo vnútornej štruktúre mikroprocesora a vždy pracujúcu na limitných frekvenciách. Vo fyzickom znázornení ide o kryštál umiestnený na hlavnom čipe MP a spojený s jadrom zbernice mikroprocesora.
- Konfigurácia. V tomto prípade hovoríme o organizácii príkazov a metódach adresovania. Typ konfigurácie môže v praxi znamenať možnosť kombinácie procesov vykonávania viacerých príkazov súčasne, režimy a princípy fungovania MP a prítomnosť periférnych zariadení v základnom mikroprocesorovom systéme.
Architektúra mikroprocesora
Vo všeobecnosti je MP univerzálnyinformačný procesor, ale v niektorých oblastiach jeho fungovania sú často potrebné špeciálne konfigurácie na vykonávanie jeho štruktúry. Architektúra mikroprocesorov odráža špecifiká aplikácie konkrétneho modelu, čo spôsobuje vlastnosti hardvéru a softvéru integrovaného do systému. Konkrétne môžeme hovoriť o poskytovaných ovládačoch, programových registroch, metódach adresovania a inštrukčných súboroch.
Pri znázornení architektúry a funkcií fungovania MP často využívajú schémy zariadení a interakciu dostupných softvérových registrov, ktoré obsahujú riadiace informácie a operandy (spracované dáta). Preto v modeli registrov existuje skupina registrov služieb, ako aj segmenty na ukladanie všeobecných operandov. Na tomto základe sa určuje spôsob vykonávania programov, schéma organizácie pamäte, spôsob činnosti a vlastnosti mikroprocesora. Štruktúra MP na všeobecné účely môže napríklad obsahovať počítadlo programov, ako aj registre pre stav a riadenie režimov prevádzky systému. Pracovný tok zariadenia v kontexte architektonickej konfigurácie môže byť reprezentovaný ako model prenosov registra, poskytovania adresovania, výberu operandov a inštrukcií, prenosu výsledkov atď. Vykonanie rôznych inštrukcií, bez ohľadu na priradenie, ovplyvní stav register, ktorého obsah odráža aktuálny stav procesora.
Všeobecné informácie o štruktúre mikroprocesorov
V tomto prípade treba štruktúru chápať nielen ako súbor komponentov pracovného systému, ale ajprostriedky spojenia medzi nimi, ako aj zariadenia, ktoré zabezpečujú ich interakciu. Rovnako ako vo funkčnej klasifikácii, obsah štruktúry môže byť vyjadrený prostredníctvom troch komponentov - prevádzkového obsahu, prostriedkov komunikácie so zbernicou a riadiacej infraštruktúry.
Zariadenie ovládacej časti určuje charakter dekódovania príkazov a spracovania dát. Tento komplex môže zahŕňať aritmeticko-logické funkčné bloky, ako aj odpory na dočasné ukladanie informácií vrátane informácií o stave mikroprocesora. Logická štruktúra umožňuje použitie 16-bitových rezistorov, ktoré vykonávajú nielen logické a aritmetické postupy, ale aj posuvné operácie. Práca registrov môže byť organizovaná podľa rôznych schém, ktoré okrem iného určujú ich prístupnosť pre programátora. Samostatný register je vyhradený pre funkciu batérie.
Zbernicové spojky sú zodpovedné za pripojenia k periférnym zariadeniam. Rozsah ich úloh zahŕňa aj získavanie údajov z pamäte a vytváranie frontu príkazov. Typická štruktúra mikroprocesora zahŕňa ukazovateľ príkazu IP, sčítačky adries, segmentové registre a vyrovnávacie pamäte, prostredníctvom ktorých sú obsluhované spojenia s adresovými zbernicami.
Riadiace zariadenie zase generuje riadiace signály, dešifruje príkazy a tiež zabezpečuje chod výpočtového systému vydávaním mikropríkazov pre interné operácie MP.
Štruktúra základného MP
Zjednodušená štruktúra tohto mikroprocesora poskytuje dve funkciediely:
- Operačná miestnosť. Táto jednotka obsahuje ovládacie zariadenia a zariadenia na spracovanie údajov, ako aj pamäť mikroprocesora. Na rozdiel od plnej konfigurácie základná štruktúra mikroprocesora vylučuje segmentové registre. Niektoré vykonávacie zariadenia sú spojené do jedného funkčného celku, čo tiež zdôrazňuje optimalizovaný charakter tejto architektúry.
- Rozhranie. V podstate prostriedok na zabezpečenie komunikácie s hlavnou diaľnicou. Táto časť obsahuje registre vnútornej pamäte a sčítačku adries.
Princíp multiplexovania signálu sa často používa na externých výstupných kanáloch základných MP. To znamená, že signalizácia prebieha cez spoločné kanály zdieľania času. Okrem toho v závislosti od aktuálneho prevádzkového režimu systému možno rovnaký výstup použiť na prenos signálov na rôzne účely.
Štruktúra inštrukcií mikroprocesora
Táto štruktúra do značnej miery závisí od všeobecnej konfigurácie a povahy interakcie funkčných blokov MP. Už vo fáze návrhu systému však vývojári stanovujú možnosti použitia určitého súboru operácií, na základe ktorých sa následne vytvorí súbor príkazov. Medzi najbežnejšie funkcie príkazov patria:
- Prenos údajov. Príkaz vykonáva operácie priraďovania hodnôt zdrojových a cieľových operandov. Registre alebo pamäťové bunky môžu byť použité ako posledné.
- Vstup-výstup. cezZariadenia I/O rozhrania prenášajú dáta na porty. V súlade so štruktúrou mikroprocesora a jeho interakciou s periférnym hardvérom a internými jednotkami príkazy nastavujú adresy portov.
- Konverzia typu. Určené sú formáty a hodnoty veľkosti použitých operandov.
- Prerušenia. Tento typ inštrukcie je určený na ovládanie softvérových prerušení – napríklad môže ísť o zastavenie funkcie procesora, kým I/O zariadenia začnú pracovať.
- Organizácia cyklov. Inštrukcie menia hodnotu registra ECX, ktorý možno použiť ako počítadlo pri vykonávaní určitého programového kódu.
Na základné príkazy sa spravidla vzťahujú obmedzenia týkajúce sa schopnosti pracovať s určitým množstvom pamäte, súčasne spravovať registre a ich obsah.
štruktúra riadenia MP
Riadiaci systém MP je založený na riadiacej jednotke, ktorá je spojená s niekoľkými funkčnými časťami:
- Senzor signálu. Určuje postupnosť a parametre impulzov a rovnomerne ich rozdeľuje v čase po zberniciach. Medzi charakteristiky činnosti snímačov patrí počet cyklov a riadiacich signálov potrebných na vykonanie operácií.
- Zdroj signálov. Jedna z funkcií riadiacej jednotky v štruktúre mikroprocesora je priradená generovaniu alebo spracovaniu signálov - teda ich prepínaniu v rámci určitého cyklu na konkrétnej zbernici.
- Dekodér prevádzkového kódu. Vykoná dešifrovanie operačných kódov prítomných v registri inštrukciítento moment. Spolu s určením aktívnej zbernice tento postup pomáha aj pri generovaní sekvencie riadiacich impulzov.
Nemalý význam v riadiacej infraštruktúre má trvalé pamäťové zariadenie, ktoré vo svojich bunkách obsahuje signály potrebné na vykonávanie operácií spracovania. Na počítanie príkazov pri spracovaní impulzných dát možno použiť jednotku na generovanie adries - je to nevyhnutná súčasť vnútornej štruktúry mikroprocesora, ktorá je súčasťou interfejsovej jednotky systému a umožňuje čítať detaily pamäťových registrov so signálmi v plnom rozsahu.
Komponenty mikroprocesora
Väčšina funkčných blokov, ako aj externých zariadení, je organizovaná medzi nimi a centrálnym mikroobvodom MP cez internú zbernicu. Dá sa povedať, že ide o chrbticovú sieť zariadenia, poskytujúcu komplexné komunikačné prepojenie. Ďalšia vec je, že zbernica môže obsahovať aj prvky rôzneho funkčného účelu – napríklad obvody na prenos dát, linky na prenos pamäťových buniek, ako aj infraštruktúru na zápis a čítanie informácií. Charakter interakcie medzi blokmi samotnej zbernice je určený štruktúrou mikroprocesora. Zariadenia zahrnuté v MP okrem zbernice zahŕňajú nasledujúce:
- Aritmetická logická jednotka. Ako už bolo spomenuté, tento komponent je určený na vykonávanie logických a aritmetických operácií. Pracuje s číselnými aj znakovými údajmi.
- Ovládacie zariadenie. Zodpovedný zakoordinácia v interakcii rôznych častí MT. Tento blok generuje najmä riadiace signály, ktoré ich v určitých časových bodoch nasmerujú na rôzne moduly strojového zariadenia.
- Pamäť mikroprocesora. Používa sa na zaznamenávanie, ukladanie a vydávanie informácií. Údaje môžu byť spojené s pracovnými výpočtovými operáciami a procesmi obsluhujúcimi stroj.
- Matematický procesor. Používa sa ako pomocný modul na zvýšenie rýchlosti pri vykonávaní zložitých výpočtových operácií.
Funkcie štruktúry koprocesora
Ani v rámci vykonávania typických aritmetických a logických operácií nie je dostatočná kapacita konvenčného MP. Napríklad mikroprocesor nemá schopnosť vykonávať aritmetické inštrukcie s pohyblivou rádovou čiarkou. Na takéto úlohy sa používajú koprocesory, ktorých štruktúra umožňuje kombináciu centrálneho procesora s niekoľkými MP. Zároveň logika samotnej činnosti zariadenia nemá zásadné rozdiely od základných pravidiel pre konštrukciu aritmetických mikroobvodov.
Koprocesory vykonávajú typické príkazy, ale v úzkej interakcii s centrálnym modulom. Táto konfigurácia predpokladá neustále monitorovanie príkazových frontov na viacerých linkách. Vo fyzickej štruktúre mikroprocesora tohto typu je povolené používať nezávislý modul na poskytovanie vstup-výstup, ktorého vlastnosťou je možnosť výberu jeho príkazov. Aby však takáto schéma fungovala správne, koprocesory musia jasne definovať zdroj výberu pokynov,koordinácia interakcie medzi modulmi.
Princíp budovania zovšeobecnenej štruktúry mikroprocesora so silne prepojenou konfiguráciou súvisí aj s konceptom koprocesorového zariadenia. Ak v predchádzajúcom prípade môžeme hovoriť o nezávislom I/O bloku s možnosťou vlastného výberu príkazov, potom silne prepojená konfigurácia zahŕňa zahrnutie do štruktúry nezávislého procesora, ktorý riadi toky príkazov.
Záver
Princípy tvorby mikroprocesorov prešli od príchodu prvých výpočtových zariadení niekoľkými zmenami. Vlastnosti, dizajn a požiadavky na podporu zdrojov sa zmenili, čo radikálne zmenilo počítač, ale všeobecný koncept so základnými pravidlami pre organizáciu funkčných blokov z väčšej časti zostáva rovnaký. Budúcnosť vývoja mikroprocesorových štruktúr však môže byť ovplyvnená nanotechnológiou a nástupom kvantových výpočtových systémov. Dnes sa o takýchto oblastiach uvažuje na teoretickej úrovni, ale veľké korporácie aktívne pracujú na perspektívach praktického využitia nových logických obvodov založených na inovatívnych technológiách. Napríklad ako možná možnosť ďalšieho rozvoja MT nie je vylúčené použitie molekulárnych a subatomárnych častíc a tradičné elektrické obvody môžu ustúpiť systémom riadenej rotácie elektrónov. To umožní vytvárať mikroskopické procesory so zásadne novou architektúrou, ktorých výkon mnohonásobne prekoná ten dnešný. MP.
